Motorgröße für einen parallelen Seilroboter

[FirefoxMetzger]

Hallo,
wie der Titel schon andeutet möchte ich einen kleinen paralellen Seilroboter bauen.
Für diejenigen denen der Name nichts sagt: Er hat große Ähnlichkeit zu einer Steward-Platform (Hexapod) allerdings aus Seilen und zeichnet sich dadurch aus das sich auch große Arbeitsräume kostengünstig und Energieeffizient realisieren lassen.

Momentan befinde ich mich in der, wenn man es so nennen will, "brainstorming" Phase. Denke also darüber nach, was alles benötigt wird, wie viel das Projekt kosten wird und welche Dimension die Bauteile haben müssen.
Das Projekt selbst ist primär als ein Anschauungsobjekt gedacht, da es viele grundlegende Konzepte der Robotik veranschaulicht und dabei (hoffentlich) im preislichen Rahmen eines Hobbyprojekts bleibt.

Geplant ist ein Rahmen aus Holz (2D oder 3D). Von jeder Ecke soll ein Seil zum Endeffektor gehen, welches ihm in der Ebene 2 und im Raum 5-6 Feinheitsgrade gibt. Der Endeffektor selbst ist eine Platte aus Holz, welche ein Gewicht von bis zu 5kg (evtl. weniger) möglichst präzise bewegen soll.
Bedienen und steuern möchte ich das ganze soweit wie möglich per USB über den PC.

Die Frage die ich nun habe ist: Welcher Motor ist am besten geeignet, um die Plattform über die Seile zu halten? Ich tippe ja auf einen Schrittmotor, aber mit welchem Drehmoment / Haltemoment?
Der Motor wickelt im Prinzip nur ein Seil von einer Seilrolle auf und ab und muss darüber die Kraft die von der Plattform auf das Seil wirkt halten. Das Seil wird wohl nicht mehr als 3cm von der Motorachse entfernt sein, was einem Drehmoment von grob 5*9.81*0.03=1.47Nm entspricht. Allerdings sollte ein kleinerer Motor genügen, da die Plattform von 4 Seilen gehalten wird. Vielleicht kann man die Kraft auch über ein Getriebe erhöhen und so einen kleineren Motor verwenden, da ich primär an Genauigkeit und nur sekundär an Geschwindigkeit interessiert bin.

Wer kann mir da einen passenden Motor empfehlen? Oder Tipps geben auf was ich besonders achten sollte?

[ranke]

... was einem Drehmoment von grob 5*9.81*0.03=1.47Nm entspricht.

Ist soweit richtig gerechnet. Falsch ist allerdings die Annahme, dass sich die Gewichtskraft des Endeffektors schon irgendwie über die einzelnen Antriebe verteilen wird. Tatsächlich wird die Summe der Zugkräfte in den Seilen typischerweise höher sein als die Gewichtskraft, die es zu bewegen gilt. Wie hoch, das kann man erst wissen, wenn man die Geometrie kennt.

Zweite Überlegung:
Auch wenn hier keine hohe Dynamik gefordert ist, sollte man Beschleunigungskräfte wenigstens mit einem Sicherheitszuschlag berücksichtigen. Wenn man dynamischer werden will, sollte man sie auch rechnen. Bei einem Wickeldurchmesser von nur 6cm könnten auch Kräfte zur Überwindung der Biegesteife des Seils eine Rolle spielen (je nach Seil).

Dritte Überlegung:
Gerade wenn man eher quasistatisch arbeiten will, ist das verfügbare Drehmoment des Motors limitierend, während man die maximale Drehzahl nicht annähernd ausnutzen kann. In solchen Fällen lohnt es sich über zusätzliche Getriebe nachzudenken.

Vierte Überlegung:
Was soll (darf) bei Energieausfall passieren? Darf die Last abstürzen? Falls nein, geht das wieder in die Richtung Getriebe, weil dieses das Bremsmoment des Motors entsprechend der Übersetzung verstärkt. Getriebe mit schlechterem mechanischen Wirkungsgrad und / oder hoher Untersetzung sind damit praktisch selbsthemmend. Wenn hingegen z.B. ein Schutz vor Seilriss durch Nachgeben der Winde erwünscht ist, dann wäre Selbsthemmung kontraproduktiv.

Fünfte Überlegung:
Zur Steuerung wird man zu jedem Zeitpunkt für jede Winde die ausgegebene Seillänge wissen wollen. Wie soll das realisiert werden?

[FirefoxMetzger]

Falsch ist allerdings die Annahme, dass sich die Gewichtskraft des Endeffektors schon irgendwie über die einzelnen Antriebe verteilen wird. Tatsächlich wird die Summe der Zugkräfte in den Seilen typischerweise höher sein als die Gewichtskraft, die es zu bewegen gilt.

Hm, das ist ein sehr guter Punkt. Die Seile werden aufeinander eine Kraft ausüben, da sie ja gespannt werden müssen und sie im Allgemeinen nicht parallel zur Gewichtskraft verlaufen. Gibt es noch einen anderen Grund den ich übersehen habe?

Bei einem Wickeldurchmesser von nur 6cm könnten auch Kräfte zur Überwindung der Biegesteife des Seils eine Rolle spielen (je nach Seil).

Gerade wenn man eher quasistatisch arbeiten will, ist das verfügbare Drehmoment des Motors limitierend, während man die maximale Drehzahl nicht annähernd ausnutzen kann. In solchen Fällen lohnt es sich über zusätzliche Getriebe nachzudenken.

Deshalb war meine Überlegung hier einen Schrittmotor zu verwenden. Ein Getriebe halte ich aber, grade nach deinem Post, für sinnvoll. Die Frage ist nun aber welches und mit welcher Übersetzung.

Über die Biegesteife des Seils mache ich mir weniger Sorgen. Geplant war ein 1 mm Polyamidseil mit 300 N Bruchlast welches ich auf eine knapp 1 cm dicke Trommel wickeln wollte. Aber in diesem Punkt kenne ich mich zu wenig mit Seilen aus, als das ich mich blind auf die Aussage "passt schon" verlassen kann.

Was soll (darf) bei Energieausfall passieren? Darf die Last abstürzen?

Wieder eine wichtige Frage. Ehrlich gesagt habe ich mir dazu noch gar keine Gedanken gemacht. Das was der Endeffektor momentan halten soll sind Stifte, ein paar Flaschen Cola sowie eventuell mal eine Webcam. Es ist also alles eher unzerbrechlich, zumal ich nicht plane das ganze mehrere Meter über dem Boden schweben zu lassen.

Ein Seilriss soll auf alle Fälle vermieden werden, allerdings glaube ich nicht das ich in die Nähe der Belastungsgrenze komme. Ansonsten muss ich ein dickeres Seil verwenden.

Auf der anderen Seite ist ein ungebremstes Abstürzen der Last auch nicht erwünscht, denn sollte ich mich mal dazu durchringen meine Bierflasche durch die Gegend zu fahren, dann sollte ein GAU verhindert werden .
Alles in allem also entweder ein "gebremstes fallen" oder einfach eine selbsthemmende Konstruktion.

Fünfte Überlegung:
Zur Steuerung wird man zu jedem Zeitpunkt für jede Winde die ausgegebene Seillänge wissen wollen. Wie soll das realisiert werden?

Geplant war den Roboter zu Anfang auf eine fest definierte, bekannte Startposition zu setzen, wenn er eingeschaltet wird. Anschließend soll ein tracking der Motorbewegungen via dead reckoning / Koppelnavigation erfolgen.
Ich bin mir allerdings noch unsicher welche Sensoren ich verwende um daraus einen Kalman-Filter zu bauen. Meine erste Idee war eine (oder zwei) Kamera(s), da ich mich mit Computer Vision einigermaßen auskenne.
Eine andere wären Ultraschallsensoren, welche geschickt platziert den Endeffektor im gesamten Arbeitsraum im Blick behalten können ohne von den Seilen beeinträchtigt zu werden.
Andere Ideen sind aber trotzdem willkommen.


Mein momentanes Konzept für den Roboter sieht aus wie folgt (ist noch eher grob):

Die erste Version soll eine 2D Konstruktion werden. Wenn ich diese dann erfolgreich kontrollieren kann erweitere ich den Roboter auf 3 Dimensionen mit mehr Motoren und Freiheitsgraden.

Endeffektor:
- Platte 15x15 cm auf der man so ziemlich alles installieren kann (vlt einen kleinen Greifer?)
- In jeder Ecke des Quadrates eine Bohrung für jeweils ein Seil mit ca. 1.5 - 3 m Länge

Motor/Seiltrommel:
- Schrittmotor (Haltemoment?)
- ein noch näher zu bestimmendes Getriebe
- 1mm Polyamidseil welches auf einer Seiltrommel mit 1cm Innendurchmesser auf- und abgewickelt wird

Rahmen:
- Rechteckiger Rahmen mindestens 40x60cm
- auf ca. 20-30cm hohen Füßen (damit man den Arbeitsraum ggf. ohne Umbau nach unten erweitern kann)
- das Seil wird über Seilrollen in jeder Ecke des Rahmens zum Endeffektor geführt.
- Motoren und Seiltrommeln werden an den Füßen des Rahmens gelagert.

Steuerung:
- Motortreiber werden zu den Motoren passend gewählt
- Motorsteuerung, Sensorauswertung und Regelung übernimmt ein Raspberry Pi
- Pfadvorgaben, motion profile u.ä. werden via Ethernet vom PC / Handy aus übergeben
- Sensorwerte, Kamerabilder, Position des Endeffektors wird via Ethernet ausgeben

Ziele:
- Bewegen des Endeffektors auf Bahnen durch den Arbeitsraum (Geschwindigkeit allerdings zweitrangig)
- Malen eines Mandalas (vlt ausgewachsene Vektorgrafiken)
- Balancieren eines Stabes auf dem Endeffektor
Hauptziel ist hier allerdings die Planung und Umsetzung des Projekts mit Fokus auf die Softwareseite (lokalisieren, vorwärts / rückwärts Kinematik, …)

Kritik an jedem Punkt und Vorschläge sind gerne gesehen, zumal ich denke das ich bestimmt irgendwo was wichtiges vergessen habe.

[Geistesblitz]

Für die Auslegung der Motoren und Getriebe braucht man auf jeden Fall die Angaben, wie schnell sich die Plattform bewegen soll, wie schnell sie sich beschleunigen soll und wie schwer sie maximal ist. Der schwierigste Lastfall, wen ich mir vorstellen kann, ist, wenn die Plattform sehr weit oben ist, sodas die Sehnen nahe an die Horizontallage kommen. Die müssten dann ganz schön unter Spannung gestellt werden. Daher würde ich eine Maximalhöhe vorsehen, damit die Antriebe in einem angenehmen Bereich arbeiten können. Wieviele Antriebe soll es denn geben? Wenn die Plattform nachher 6 Freiheitsgrade haben soll, brauchst du auch 6 Antriebe. Ob sich das aber überhaupt realisieren lässt, weiß ich nicht, bin mir da gerade ein wenig unsicher.
Was willst du eigentlich gegen Pendeln machen? An meiner ehemaligen Uni gabs nen Versuchsaufbau mit einem Kranroboter, da wurde über die Rollen die Seilposition gemessen und über bewegliche Führungen der Seilwinkel. Das ganze System befand sich in einer recht komplexen Regelung, um auch gegen Pendeln, Störungen und Parameterabweichungen (Lastmasse) sicher zu sein. Als Antriebe kamen 3 Linearantriebe und 3 Seilantriebe zum Einsatz.

Bei Seilrollen musst du auch beachten, dass sich der effektive Durchmesser ändern kann, wenn das Seil über mehrere Lagen aufgerollt wird. Dadurch würde dann deine Positioniergenauigkeit leiden. Außerdem brauchst du auch noch einen Mechanismus zum Referenzieren, da Schrittmotoren nur Relativbewegungen ausführen können. Das könnten irgendwelche Anschläge an den Seilen sein, die Endschalter betätigen, oder irgendwas mit Gabellichtschranken o.ä., aber sowas wirst du definitiv brauchen.

[frist]

Hallo,
hier mal zwei Links zu Anregung:

http://www.ipa.fraunhofer.de/Paralle...ter.597.0.html
http://www.youtube.com/watch?v=RCa8uDFzbsw

Grüße
Flo

[FirefoxMetzger]

Das Problem ist, das der Roboter keine spezifische Aufgabe erfüllen soll von der man direkt eine maximale Beschleunigung oder Gewichtskräfte ableiten kann. Es ist primär eine Konzeptstudie wie gut oder schlecht man einen solchen Roboter mit einfachen Mitteln kontrollieren kann, wie genau er ist und so weiter.
Auf der anderen Seite gibt es bestimmt dutzende Dinge die ich mit dem Roboter probieren will. Beispiele sind das Balancieren eines Stabes in der Ebene, das Manipulieren / Bauen mit Legosteinen oder das Zeichnen von Grafiken.

Geplant sind 4 Antriebe zur Manipulation in der Ebene. Rotation werde ich zu Beginn weglassen, weil ich denke, dass ich erst einmal in der Ebene zurechtkommen muss bevor ich mich höheren Dimensionen zuwende.
Hierbei soll die Plattform ein Gesamtgewicht von (mittlerweile) 3 kg nicht überschreiten. Wobei ich die Plattform mit Gewichten ausstatten werde, um immer eine Kraft nach unten zu haben.
Die maximale Beschleunigung würde ich jetzt einfach mal mit 15 - 30 cm/s^2 ansetzen. Allerdings nur deshalb, weil ich noch keine Vorstellung darüber habe, welche Beschleunigung ich brauche um so etwas wie Balance-Aufgaben durchzuführen.

Für mich viel wichtiger als die Frage nach der Leistung des Motors ist (zunächst) die Frage nach dem Typ des Motors. Ein Schrittmotor ist in dieser Situation angebracht? Oder sollte man lieber irgendeine andere Art von Motor verwenden?
Auch bei den Getrieben gibt es so viele Arten, das ich immer noch dabei bin, mir einen Überblick zu verschaffen. Ich habe schon Steward-Platformen mit Schneckengetriebe gesehen und bei Portalfräsen scheint ein solches Getriebe auch Usus zu sein. Allerdings bezweifle ich das es auch bei einem Seilroboter das sinnvollste Getriebe ist.
Kennt jemand vielleicht eine Übersicht verschiedener Getriebetypen mit Stärken und schwächen der einzelnen Typen?

Was willst du eigentlich gegen Pendeln machen?

Ein wichtiger Punkt, den ich aber erst zur Gänze klären werden kann, sobald ich die ganzen Rahmendaten festgelegt hab. Da ich die Regelung nach Möglichkeit komplett in Software machen will und es eine eher Modulare Aufgabe ist hinter eine Steuerung eine Regelung zu setzen, wollte ich zuerst den Roboter bauen und dann die Regelung.
Schlimmstenfalls muss ich irgendwo nachrüsten, was aber Aufgrund des doch eher einfachen Aufbaus keine Probleme bereiten sollte.

Bei Seilrollen musst du auch beachten, dass sich der effektive Durchmesser ändern kann, wenn das Seil über mehrere Lagen aufgerollt wird. Dadurch würde dann deine Positioniergenauigkeit leiden.

Bedingt. Wenn man weiß wann eine neue Lage angefangen wird, kann man das zurückrechnen, was jedoch Arbeit ist, die man vermeiden kann. Eine einlagige Seiltrommel wäre hier definitiv einfacher, weshalb ich auch eine solche verwenden will.

Außerdem brauchst du auch noch einen Mechanismus zum Referenzieren, da Schrittmotoren nur Relativbewegungen ausführen können.

Ja, dead reckoning ist "ungenau". Grade über lange Zeiträume hinweg ohne Referenz.
Der Mechanismus zum Referenzieren ist auch noch nicht 100 % festgelegt. Optimal wäre ein Laserscanner an der Plattform, aber dann wäre der Sensor teurer als der ganze Roboter. Deshalb war meine Idee eine oder zwei Kameras mit entsprechender Computer Vision Software auszurüsten. Damit ließe sich die absolute Position der Plattform bestimmen und zusammen mit den Relativbewegungen der einzelnen Motoren, sollte eine genaue Positionsbestimmung möglich sein.

Off Topic: Ich glaube ich nutze dieses Projekt um mich mal in die Grundlagen von CAD einzuarbeiten (ist hoffentlich einfacher und genauer als Zeichnungen von Hand). Gibt es ein Programm welches hier besonders Empfehlenswert ist?

[Geistesblitz]

Meinst du Schneckengetriebe oder Spindelantriebe? Ist schon ein ziemlicher Unterschied

Schrittmotoren sind für Open-Loop-Anwendungen ganz gut, wenn man aber dynamisch regeln möchte, geht das mit Servomotoren besser. Dafür sind dann allerdings die Steuerungen teurer und man muss mehr Komponenten aufeinander abstimmen.

Eine Regelung auf Softwareseite kann man gerne nachrüsten, aber trotzdem benötigt es dafür auch Sensoren, die dann auch Veränderungen an der Maschine nötig machen.

Als Seilrolle könntest du vielleicht sowas wie ein Außengewinde mit großem Durchmesser nehmen, wo das Seil sich immer brav in die Gewindegänge reinsortieren kann. Allerdings hast du dann je nach Stellung einen Winkel zwischen Seilrolle und Umlenkrolle, der dann in der Software mit abgebildet werden müsste.

Mit einer Kamera ist grobes Positionieren sicher möglich, aber Feinpositionierung (so im mm-Bereich) wird dann schon schwierig. Da wäre ein direktes Messystem schon besser.

Als freies CAD-Programm geht Sketchup ganz gut, ansonsten soll wohl auch DesignSpark Mechanical ganz gut sein (ist auch näher an professionellen CAD-Programmen dran), allerdings hab ich das noch nicht ausprobiert.

[FirefoxMetzger]

Oh, du hast recht. Ich kenne mich mit Getrieben leider noch kaum aus. Waren für mich bisher Zahnradkonstruktionen die eine Größe in eine Andere umgewandelt haben. Genauer habe ich mich damit bisher nicht beschäftigen müssen. Wird aber grade nachgeholt.

Ein solches Gewinde zu benutzen war auch meine Idee. Die Frage ist aber ob ich ein Gewinde mit entsprechender Ganghöhe finden kann. Den Winkel zwischen der Stange und der Umlenkrolle kann man umgehen, indem man die Gewindestange selbst während des Abrollens bewegt.

Bei der Positionierung per Kamera kommt es denke ich darauf an wie hochauflösend sie ist. Ich weiß aber auch nicht wie genau ich mit einer Seilkinematik werden kann. Schätzen würde ich einige mm Ungenauigkeit.
Aber du hast natürlich Recht. Die letztendliche Genauigkeit richtet sich nach den verwendeten Sensoren. Es ist allerdings nicht leicht die passenden zu finden. Man könnte sich überlegen ob man irgendwie einen Infrarot Sensor an die Umlenkrolle befestigen kann, sodass dieser immer auf die Plattform zeigt. Oder ob man Orte findet, sodass der Arbeitsraum der Plattform mit Ultraschallsensoren abgedeckt werden kann.
Aber das klingt alles sehr gewagt.

Als erstes werde ich mal ein wenig rechnen, damit ich wenigstens mal ein paar Zahlen habe über die man reden kann. So langsam habe ich nämlich eine Vorstellung davon, welche Dimensionen der Roboter haben wird.

P.S.: Die Links sind echt schick. Grade das Video geht in die Richtung des Seilroboters den ich auch bauen will. Danke dir.

[hbquax]

Was genau meinst du mit 2D? Heißt das, das bewegt Teil und alle vier Seile befinden sich in einer Ebene, und es wird sich auch nur in dieser Ebene bewegt?

Mit drei Seilen kannst du ja bereits einen Punkt in der Ebene bewegen, mit vier Seilen ist dann zusätzlich schon Rotation möglich.

Das Problem des Pendelns tritt ja nur auf, wenn deine Konstruktion unterbestimmt ist.

Gruß

Nils

[FirefoxMetzger]

Mit 2D meine ich, dass die Plattform / den Endeffektor nur in der Ebene bewegt wird. Konkret in der x-y-Ebene (wenn die z-Achse in die Höhe zeigt, mit Ursprung auf dem Erdboden).
Die ganze Konstruktion wird allerdings frei schwebend gebaut. Die Plattform liegt also in der Luft. Das führt dazu das man den Raum in dem sich die Plattform bewegt auch in (negative) z-Richtung ausdehnen kann, solange eine Kraft existiert, die die Plattform nach unten drückt (in meinem Fall die aus dem Eigengewicht resultierende Gewichtskraft).

Mit 3 Seilen kann man einen Punkt in einer Ebene bewegen. Allerdings nur in einem Dreieck zwischen den einzelnen Aufhängungspunkten am Rahmen. Wenn man sich, wie ich, in einem Rechteck bewegen will, benötigt man 4 Seile. Der Bereich in dem eine Bewegung möglich ist, ist durch das aus einer Teilmenge der Aufhängungspunkte aufgespannte Polygon mit maximaler Fläche definiert. Im Raum ist es ähnlich.
Wenn man es allerdings ganz genau nimmt, kann man die Plattform auch mit drei Seilen in einem Viereck bewegen. Allerdings nur, solange dieses Viereck innerhalb des durch die Aufhängungspunkte aufgespannten Dreiecks liegt. Ein 4. Seil ermöglicht es in diesem Fall den Roboter kleiner zu bauen.

Durch das 4. Seil bekommt man leider keinen Zugang zu weiteren Freiheitsgraden (Rotation). Allerdings Erweitert es meine Möglichkeiten der Rotation um die x- und y- Achse der Plattform. Bei geeigneter Wahl der Aufhängungspunkte an der Plattform selbst kann man um den Mittelpunkt der Plattform rotieren.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich dich bezüglich des Pendelns richtig verstehe. Was meinst du genau mit "dem Problem des Pendelns"? Meinst du das die Plattform schwingen kann oder nimmst du Bezug auf die Eigenschwingungen der Kinematik?